CN112880956A

CN112880956A - 爆炸多物理场作用下的防爆装备测试系统

Info

Publication number: CN112880956A
Application number: CN202011563762.4A
Authority: CN
Inventors: 刘瀚; 黄广炎; 李纬; 刘春美; 邱日祥; 卞晓兵
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT; First Research Institute of Ministry of Public Security
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT; First Research Institute of Ministry of Public Security
Priority date: 2020-12-25
Filing date: 2020-12-25
Publication date: 2021-06-01
Anticipated expiration: 2040-12-25
Also published as: CN112880956B

Abstract

本发明提供一种爆炸多物理场作用下的防爆装备测试系统，可同时测试爆炸多物理场毁伤特性，为防爆装备防爆性能的精准评估提供数据支撑。该测试系统包括：测试平台、爆炸瞬态光学测试单元、冲击波超压测试单元、爆炸驱动破片测试单元、爆炸机械功测试单元、爆炸地震波测试单元、爆炸瞬态温度场测试单元、爆炸噪声测试单元、爆炸物以及待测试的防爆装备；测试平台包括：安装平台、基座、支撑架和环形靶标；安装平台的台面作为测试板用于放置爆炸物和待测试的防爆装备，其中防爆装备罩在爆炸物外部；环形靶标为两块以上弧形鉴证靶依次相连围成的半圆形结构；环形靶标通过支撑架支撑在安装平台上方，使安装平台上的爆炸物位于环形靶标的圆心位置处。

Description

爆炸多物理场作用下的防爆装备测试系统

技术领域

本发明涉及一种防爆装备测试系统，具体涉及一种爆炸多物理场作用下的防爆装备测试系统，属于公共安全技术领域。

背景技术

爆炸多物理场作用是指典型爆炸物在爆炸时伴随的冲击波、爆炸物破片、机械功、地震波、热辐射、爆震强噪声等作用。当前爆炸测试领域测试方法简单，一般只考虑了TNT裸炸药对结构是否造成破碎。典型如《GA871-2010防爆罐》、《GA872-防爆球》；或者只考虑是否有碎片飞出，如《GA69-2007防爆毯》测试标准。而爆炸产生的毁伤元素众多，爆炸多物理场直接或间接对人体作用而发生的冲击伤、破片伤、抛掷伤、房屋倒塌砸伤、烧伤、或爆震伤等耦合伤。其中：冲击波在其超压、负压及动压作用下，在实质及空腔脏器中产生压力差、内爆效应、破裂效应等，从而导致机体内损伤；爆炸产生高速破片可导致生物体组织钝搓或贯通，严重破坏机体器官组织完整性，使得机体组织丧失原有机能；机械功作用将产生惯性抛掷效应，使生物体遭受跌落、撞击从而直接导致骨骼或软组织器官外部损伤；爆炸地震波产生的横波，其波长大、振幅强，且仅沿地表面传播，能造成建筑物门窗和墙体产生强烈破坏，进而对建筑物内的人员和财产带来不安全隐患；持续一定时间的热辐射，将引起一系列继发性反应如应激性溃疡、全身性炎症反应综合征，甚至脓毒症和多器官功能障碍综合征；爆炸产生高声压级的爆震效应，可导致生物体鼓膜穿孔、中耳听骨链骨折及中枢听觉系统多个听力最敏感的部位产生声损伤效应。

防爆装备可从一定程度上对爆炸物载荷进行约束，从而削弱爆炸时伴随的不同载荷特征对周边生物体的耦合致伤效应及其他附带毁伤效应。可使冲击波超压迅速衰减，爆炸物破片受到约束，机械功产生的抛掷效应受到抑制，有效降低建筑物振速和幅值，热辐射扩散受到隔离，爆震强噪声快速削弱等效果，从达到降低爆炸多物理场载荷对周围生物体的耦合致伤的目的。

针对以上爆炸多物理场载荷典型特征，只有分析防爆装备对爆炸多物理场耦合载荷因素防护效应，才能实现对防爆装备的精准评估。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种爆炸多物理场作用下的防爆装备测试系统，能够同时测试防爆装备对爆炸多物理场耦合载荷因素的防护效应，从而实现对防爆装备防爆性能的精准评估。

所述的爆炸多物理场作用下防爆装备测试系统包括：测试平台、爆炸瞬态光学测试单元、冲击波超压测试单元、爆炸驱动破片测试单元、爆炸机械功测试单元、爆炸地震波测试单元、爆炸瞬态温度场测试单元、爆炸噪声测试单元、爆炸物以及待测试的防爆装备；

所述测试平台包括：安装平台、基座、支撑架和环形靶标；所述安装平台的台面作为测试板用于放置爆炸物和待测试的防爆装备，其中所述防爆装备罩在所述爆炸物外部；所述基座用以承载所述支撑架；所述环形靶标为两块以上弧形鉴证靶依次相连围成的半圆形结构；所述环形靶标通过所述支撑架支撑在所述安装平台上方，使所述安装平台上的爆炸物位于所述环形靶标的圆心位置处；

所述爆炸瞬态光学测试单元用于记录爆炸瞬间视频图像；

所述冲击波超压测试单元用于测量防爆条件下爆炸物爆炸产生的冲击波超压在不同距离、不同高度位置处的超压时程曲线；

所述爆炸驱动破片测试单元用于测量防爆条件下爆炸物爆炸产生的破片的速度；

所述爆炸机械功测试单元用于测量防爆条件下爆炸机械功对模拟假人惯性冲击加速作用；

所述爆炸地震波测试单元用于测量防爆条件下爆炸地震波传播的振速和幅值；

所述爆炸瞬态温度场测试单元用于测量防爆条件下爆炸场温度在近场和远场的变化规律及热辐射效应；

所述爆炸噪声测试单元用于测量防爆条件下近场和远场距离处的声压级随时间的动态演化过程。

作为本发明的一种优选方式：所述爆炸瞬态光学测试单元包括：两个高速摄像机，两个所述高速摄像机通过支架支撑在所述测试平台的正面，所述高速摄像机的镜头正对所述防爆装备，记录爆炸瞬间视频图像。

作为本发明的一种优选方式：所述冲击波超压测试单元包括：六个冲击波压力传感器；在所述爆炸物的上方和前方，距离爆炸物轴心设定距离位置处各布置一个冲击波压力传感器组，每个冲击波压力传感器组包括三个间隔设置的冲击波压力传感器。

作为本发明的一种优选方式：所述爆炸驱动破片测试单元包括：测速靶和示波器；在所述防爆装备正上方的环形靶标上间隔设置两块以上测速靶，每块所述测速靶分别与设置在测试平台外部的示波器相连，通过测量爆炸产生的破片通过所述测速靶前后面的间隔时间测量所述破片速度。

作为本发明的一种优选方式：所述爆炸机械功测试单元采用由两套混III50百分位配重型假人搭建的测试单元，每套所述混III50百分位配重型假人的头部、胸部和腿部各搭接一个加速度传感器；两套混III50百分位配重型假人设置在所述测试平台前方与所述防爆装备不同距离位置处。

作为本发明的一种优选方式：所述爆炸地震波测试单元包括分别设置在所述安装平台和所述基座上的爆炸测震仪。

作为本发明的一种优选方式：所述爆炸场瞬态温度测试单元包括爆炸瞬态温度热电偶或/和高速红外热成像仪。

作为本发明的一种优选方式：所述爆炸噪声测试单元采用声压测试原理，测试设备为声压计；在爆炸物的近场和远场距离处各设置一个声压计。

作为本发明的一种优选方式：所述支撑架为钢管搭建而成的“门”字形框架结构。

作为本发明的一种优选方式：用于引爆爆炸物爆炸线缆、用于为布置在测试平台上的各测试单元供电的导线以及布置在测试平台上的各测试单元的信号线均通过设置在所述钢管内的导线管引出。

作为本发明的一种优选方式：所述弧形鉴证靶可拆卸的安装在所述支撑架上。

作为本发明的一种优选方式：所述基座具有可拆卸的安装有玻璃的窗户，用于评估爆炸冲击波对玻璃的作用效果。

作为本发明的一种优选方式：在所述支撑架外搭建有隔档墙；所述隔档墙通过左右、顶部和背面的墙面包围所述测试平台。

有益效果：

(1)该测试系统综合考虑了爆炸冲击波、破片、高温火焰、机械功、地震波、噪音等典型爆炸物在爆炸时产生的多重耦合伤害，由此能够同时测试爆炸多物理场毁伤特性，进而分析防爆装备对爆炸多物理场耦合载荷因素的防护效应，为防爆装备的精准评估提供数据支撑。

(2)该测试系统采用环形靶标，可以测定顶部不同位置处破片飞散情况，以及顶部冲击波超压分布情况；首先通过数值仿真确定其顶部与四周冲击波压力峰值，然后确定其传感器量程，从而实现对冲击波数值的精确捕捉。

(3)该测试系统采用模块化搭接，能够进行快速组装，钢管与钢管之间采用脚手架的方式进行绑定，保证其稳定性；弧形鉴证靶开有束缚孔，可通过钢丝绳绑定在钢管上，发生破损后可迅速更换，因此进行多次重复爆炸爆炸。

(4)该测试系统中的线缆(包括爆炸线缆和用于为各测试单元供电的导线)设置在钢管内，方便爆炸引线，保证各类测试设备的供电安全；且可防止由于导线之间互相交叉引起的电磁干扰，最终导致测试结果不准确。

(5)环形靶标采用模块化拼接结构，可快速安装和拆卸，爆炸过后可拆下来进行破孔数量分析。

附图说明

图1为本发明的爆炸多物理场作用下的防爆装备测试系统的结构示意图；

图2为安装隔档墙后的防爆装备测试系统的结构示意图；

图3该测试系统中各测试单元的布置示意图；

图4起爆线缆在钢管内的布置示意图；

图5为弧形鉴证靶的安装示意图；

图6为测速靶示意图；

图7为测速靶测速原理图；

图8和图9为冲击波压力传感器的布置示意图；

图10为爆炸机械功测试单元的布置示意图；

其中：1-弧形鉴证靶、2-钢管、3-窗户、4-基座、5-安装平台、6-防爆装备；7-隔档墙、8-测速靶、9-冲击波压力传感器、10-混III50配重型假人、11-高速摄像机、12-高速红外热成像仪、13-声压计、14-爆炸测震仪；15-导线管、16-冲击波压力测试点，17-爆炸物。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

针对爆炸多物理场载荷典型特征，本实施例提供一种爆炸多物理场作用下的防爆装备测试系统，可同时测试爆炸多物理场毁伤特性，为防爆装备防爆性能的精准评估提供数据支撑。

该测试系统包括：测试平台、爆炸瞬态光学测试单元、冲击波超压测试单元、爆炸驱动破片测试单元、爆炸机械功测试单元、爆炸地震波测试单元、爆炸瞬态温度场测试单元、爆炸噪声测试单元、爆炸物以及待测试的防爆装备。

其中测试平台为模块化结构，通过钢管2和弧形鉴证靶1进行快速组装，由于弧形鉴证靶1可更换，因此能够进行多次测试爆炸。

具体的如图1所示，模块化测试平台包括：安装平台5、基座4、支撑架和环形靶标。

搭建测试平台时，首先搭建安装平台5，安装平台5包括钢筋混凝土浇筑的立柱和支撑在立柱上可更换的测试板，测试板表面水平，用于放置爆炸物和待测试的防爆装备；测试板的类型根据待测试的防爆装备使用环境决定，如需要测试防爆装备对于某楼板结构的影响，将测试板替换成相应的楼板结构，如普通的24墙结构、钢筋混凝土结构、钢板结构等。

然后搭建基座4(图1所示左右两侧立板)，基座4为测试平台的地基，用于支撑整个测试平台；基座4可以采用钢筋混凝土浇筑，也可以采用钢板；基座4具有可拆卸的安装有玻璃的窗户，用于评估冲击波对于玻璃的作用效果。

然后搭建支撑架，支撑架为由多根钢管2搭建而成的“门”字形框架结构；支撑架用于保持弧形鉴证靶1的形状，避免弧形鉴证靶1被爆炸冲击波驱动解体。支撑架采用脚手架的搭接方式，相互搭接的钢管与钢管之间通过碗扣或者相应的连接扣相互连接。本例中用于搭建支撑架的钢管2为直径60mm～120mm的钢管，壁厚为4mm～6mm。由于线缆设置在钢管2内，在需要铺设线缆的钢管2内部预先放置导线管(如图4所示)；导线管采用直径10-20mm钢管，壁厚为1-4mm，头尾处焊接在钢管中；导线管也可以采用塑料水管，塑料水管插入在钢管2中，通过束带固定。搭建支撑架时，需要铺设线缆的钢管布置在支撑架侧边(即导线管不放置在支撑架的顶部钢管中)。

其次是安装环形靶标，本例中环形靶标包括六块弧形鉴证靶1，六块弧形鉴证靶1依次相连围成一个圆弧角为180度的弧形结构，即为环形靶标(即环形靶标整体为半圆形结构)；弧形鉴证靶1可以采用2mm～10mm钢板、铝板、PE板、塑料层压板、木板或者玻璃等；如图5所示，弧形鉴证靶1上具有束缚孔，通过钢丝绳与对应位置处用于形成支撑架的钢管2绑定在一起，发生破损后可快速更换，由此该测试系统能够进行多次爆炸测试。环形靶标固定在安装平台5上方设定距离位置处，且保证安装平台5上的爆炸物位于环形靶标的圆心位置处，以保证各个弧形鉴证靶1与爆炸物之间的距离相同。

最后为保证该测试系统的安全性，在支撑架外搭建隔档墙7，如图2所示，隔档墙7通过左右、顶部和背面包围测试平台，由此避免因为防爆装备防爆效能不够导致破片飞出造成大面积杀伤。

本例中爆炸物为压装成型密度为1.6g/cm³的1kgTNT装药，外表密排1kgφ8mm钢珠；待测试的防爆装备6为钢制防爆罐，放置在安装平台5的测试板上；钢制防爆罐罩在爆炸物外部，用于进行爆炸防护。用于引爆爆炸物的爆炸线缆从放置在钢管2的导线管中引出。

各测试单元在测试平台上的布局如图3所示：

爆炸瞬态光学测试单元包括两个高速摄像机11，两个高速摄像机11通过支架支撑在测试平台的正面(一般在距离爆炸物50m～100m位置处)，高速摄像机11的镜头正对防爆装备6，记录爆炸瞬间视频图像，用于分析爆炸产生的火光的持续时间、不同维度(指空间上，不同角度和方位处)的模拟生物靶标受爆炸冲击波、破片、火焰等致伤元素时的瞬间响应特征。

冲击波超压测试单元为爆炸瞬态超压测试系统，包括：六个冲击波压力传感器9；冲击波压力传感器9采用137系列的PCB传感器，通过五个冲击波压力传感器9测量爆炸产生的冲击波超压在典型距离、不同高度位置处的超压时程曲线。具体的如图8和图9所示，在爆炸物的上方和前方均设置有冲击波压力测试点，每个冲击波压力测试点设置一组冲击波压力传感器9，本例中在距离爆炸物轴心高度方向3m位置处以及正前方3m位置处各布置一组冲击波压力传感器，每组包括三个PCB传感器，其中位于前方的三个PCB传感器按照0.3m、1.3m和1.6m的高度布置，用于测试防爆装备冲击波顶部汇聚作用和冲击波绕射作用。

冲击波在顶部与侧边的冲击波数值会差距较大，可能达到10倍以上，如果选择的冲击波压力传感器9量程不合适，其对于冲击波峰值的测试可能会出现误差。因此选择冲击波压力传感器的量程时，首先通过数值仿真计算相应的冲击波数值，然后设置对应的量程；如通过仿真计算测试得到爆炸物顶部冲击波超压超过1400kPa，侧边冲击波超压为120kPa；则冲击波压力传感器9量程取在所安装位置仿真数值的1.5倍即可。

位于爆炸物上方的冲击波压力传感器9安装在测试平台上，且冲击波压力传感器9的导线(包括供电导线和信号线)从放置在钢管2的导线管中引出。

爆炸驱动破片测试单元包括：测速靶8和示波器。如图6和图7所示，本例中测速靶8采用厚度h为1mm的木块(或其它绝缘易穿透的材料如硬质塑料)，在测速靶8的前后表面均缠绕有漆包线，相邻两根漆包线之间的间距不应超过爆炸物外表面密排钢珠的直径，以免发生破片穿过未断路触发信号的现象，每面的漆包线在测速靶8上盘绕后两端引出与示波器相连；初始时，测速靶8的前后表面均为通路，爆炸后驱动爆炸产生的破片以一定速度撞击到测速靶8上切断漆包线，形成断路；测量破片通过测速靶8前后面的间隔t(即测速靶8前后形成断路的时间间隔)，即可得到破片速度v：v＝h/t。

本例中，在防爆装备正上方，即位于中间位置的弧形鉴证靶1的对称线上以及与该对称线间隔设定距离处的弧形鉴证靶1上各安装一块测速靶8。弧形鉴证靶1与设置在测试系统外部的示波器之间的导线从放置在钢管2的导线管中引出。

爆炸机械功测试单元采用由两套混III50百分位配重型假人10(简称模拟假人)搭建的测试单元，如图9所示，两个模拟假人间隔设置在测试平台前方(本例中，一个模拟假人与测试平台中的防爆装备相距1500mm，两个模拟假人之间间隔2000mm)；在每个模拟假人的头部、胸部和腿部三个不同器官位置处各搭接一个加速度传感器(采用Endevco-726c-2k压阻式)，由此测试防爆装备条件时的爆炸机械功对模拟假人惯性冲击加速作用(为防止破片对模拟假人造成破坏，通常将模拟假人设置在爆炸物的无破片向)。

爆炸地震波测试单元采用爆炸测震仪14，通过爆炸测震仪14对爆炸地震波传播时的振速和幅值等参量进行检测；由此能够分析防爆装备条件下的地震波特征参量，后期通过地震波参量反演不同类型场所建筑物所受到的影响，评估地震波对建筑物的破坏效应，进而确定建筑物内生物体的安全系数。本例中，在安装平台5的立柱和基座4上各布置一个爆炸测震仪14。

爆炸场瞬态温度测试单元采用C型钨铼爆炸瞬态温度热电偶，通过C型钨铼爆炸瞬态温度热电偶测试防爆装备条件下，爆炸场温度在近场和远场的变化规律及热辐射效应，为防爆装备对爆炸热辐射防护效应提供依据。C型钨铼爆炸瞬态温度热电偶的布置位置根据爆炸物药量的火球半径来进行预估，一般位于距离爆心1m～3m位置处。此外，搭配高速红外热成像仪12(一般布置在距离爆心50m位置处)，通过高速红外热成像仪12观察整个爆炸过程中的火焰情况，可以通过录制视频和图片，进行不同时刻分析，由此全区域定距离分析爆炸多物理场的温度随时间变化规律，测试防爆装备条件下的红外热温分布图像，为防爆装备对爆炸热辐射的防护效应提供直接热图像依据。

爆炸噪声测试单元采用声压测试原理，测试设备为声压计13(配套传声器)；在爆炸物的近场(距离爆炸物1m～3m位置处)和远场(距离爆炸物50m～100m位置处)各设置一个声压计13，通过声压计13的测试信号分析防爆装备条件下的近场和远场距离处的声压级随时间的动态演化过程，为防爆装备对爆炸物爆震强噪声防护小样提供参数。

综上，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.爆炸多物理场作用下的防爆装备测试系统，其特征在于，包括：测试平台、爆炸瞬态光学测试单元、冲击波超压测试单元、爆炸驱动破片测试单元、爆炸机械功测试单元、爆炸地震波测试单元、爆炸瞬态温度场测试单元、爆炸噪声测试单元、爆炸物以及待测试的防爆装备；

所述测试平台包括：安装平台(5)、基座(4)、支撑架和环形靶标；所述安装平台(5)的台面作为测试板用于放置爆炸物和待测试的防爆装备，其中所述防爆装备罩在所述爆炸物外部；所述基座(4)用于承载所述支撑架；所述环形靶标为两块以上弧形鉴证靶(1)依次相连围成的半圆形结构；所述环形靶标通过所述支撑架支撑在所述安装平台(5)上方，使所述安装平台(5)上的爆炸物位于所述环形靶标的圆心位置处；

所述爆炸瞬态光学测试单元用于记录爆炸瞬间视频图像；

2.如权利要求1所述的爆炸多物理场作用下的防爆装备测试系统，其特征在于，所述爆炸瞬态光学测试单元包括：两个高速摄像机(11)，两个所述高速摄像机(11)通过支架支撑在所述测试平台的正面，所述高速摄像机(11)的镜头正对所述防爆装备(6)，记录爆炸瞬间视频图像。

3.如权利要求1所述的爆炸多物理场作用下的防爆装备测试系统，其特征在于，所述冲击波超压测试单元包括：六个冲击波压力传感器(9)；在所述爆炸物的上方和前方，距离爆炸物轴心设定距离位置处各布置一个冲击波压力传感器组，每个冲击波压力传感器组包括三个间隔设置的冲击波压力传感器(9)。

4.如权利要求1所述的爆炸多物理场作用下的防爆装备测试系统，其特征在于，所述爆炸驱动破片测试单元包括：测速靶(8)和示波器；在所述防爆装备正上方的环形靶标上间隔设置两块以上测速靶(8)，每块所述测速靶(8)分别与设置在测试平台外部的示波器相连，通过测量爆炸产生的破片通过所述测速靶(8)前后面的间隔时间测量所述破片速度。

5.如权利要求1所述的爆炸多物理场作用下的防爆装备测试系统，其特征在于，所述爆炸机械功测试单元采用由两套混III50百分位配重型假人(10)搭建的测试单元，每套所述混III50百分位配重型假人(10)的头部、胸部和腿部各搭接一个加速度传感器；两套混III50百分位配重型假人(10)设置在所述测试平台前方与所述防爆装备不同距离位置处。

6.如权利要求1所述的爆炸多物理场作用下的防爆装备测试系统，其特征在于，所述爆炸地震波测试单元包括分别设置在所述安装平台(5)和所述基座(4)上的爆炸测震仪(14)。

7.如权利要求1所述的爆炸多物理场作用下防爆装备测试系统，其特征在于，所述爆炸场瞬态温度测试单元包括爆炸瞬态温度热电偶或/和高速红外热成像仪(12)。

8.如权利要求1所述的爆炸多物理场作用下的防爆装备测试系统，其特征在于，所述爆炸噪声测试单元采用声压测试原理，测试设备为声压计(13)；在爆炸物的近场和远场距离处各设置一个声压计(13)。

9.如权利要求1-8任一项所述的爆炸多物理场作用下的防爆装备测试系统，其特征在于，所述支撑架为钢管(2)搭建而成的“门”字形框架结构。

10.如权利要求9所述的爆炸多物理场作用下的防爆装备测试系统，其特征在于，用于引爆爆炸物爆炸线缆、用于为布置在测试平台上的各测试单元供电的导线以及布置在测试平台上的各测试单元的信号线均通过设置在所述钢管(2)内的导线管引出。

11.如权利要求9任一项所述的爆炸多物理场作用下的防爆装备测试系统，其特征在于，所述弧形鉴证靶(1)可拆卸的安装在所述支撑架上。

12.如权利要求1-8任一项所述的爆炸多物理场作用下的防爆装备测试系统，其特征在于，所述基座(4)具有可拆卸的安装有玻璃的窗户，用于评估爆炸冲击波对玻璃的作用效果。

13.如权利要求1-8任一项所述的爆炸多物理场作用下的防爆装备测试系统，其特征在于，在所述支撑架外搭建有隔档墙(7)；所述隔档墙(7)通过左右、顶部和背面的墙面包围所述测试平台。